Волжский филиал Марийского Государственного технического университета
Автор: к.т.н. Ю.А.Борисов
Физика.
Курс лекций, II семестр, 34 часа
III, IV. Электричество и магнетизм
| Оглавление Лекция 1. 1. Электростатика. 1.1. Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Потенциал. Разность потенциалов. | |
| Лекция 2. 1.2. Диэлектрики в электростатическом поле. Диполь. Дипольный момент. Вектор поляризации. Электростатическая теорема Гаусса. Вектор электрической индукции. Уравнение Пуассона. Условия на границе раздела двух сред. | |
| Лекция 3. 1.3. Проводники в электростатическом поле. Распределение зарядов на проводнике. Электрическое поле внутри и вне проводника. Электростатическая защита. | |
| Лекция 4. 1.4. Электрическая емкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля. Плотность энергии электростатического поля. | |
| Лекция 5. 2. Постоянный электрический ток. 2.1. Сила и плотность тока. Закон Ома для участка цепи и замкнутого контура. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Закон Ома в дифференциальной форме. | |
| Лекция 6. 2.2. Разветвление электрической цепи. Правила Кирхгофа. 2.3. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца. Превращение энергии в электрических цепях. | |
| Лекция 7. 3.Магнитное поле. 3.1. Магнитное поле тока. Законы Био-Савара-Лапласа и Ампера. Сила Лоренца. Вектор магнитной индукции. Поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. | |
| Лекция 8. Магнитное поле прямого тока. Магнитное поле в центре кругового проводника с током. Взаимодействие двух проводников. Сила Лоренца. Поток вектора магнитной индукции. | |
| Лекция 9. 3.2. Магнитные свойства вещества. Молекулярные токи. Диа -, пара- и ферромагнетики. Вектор намагниченности. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Представление о ядерном магнитном резонансе и электронном парамагнитном резонансе. | |
| Лекция 10. 3.3. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Индуктивность. Самоиндукция. Плотность энергии магнитного поля. Взаимоиндукция. Трансформатор. | |
| Лекция 11. 4. Электронные и ионные явления. 4.1. Электропроводность твердых тел. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость. Полупроводники. Эффект Холла. Электронная и дырочная проводимости, p – n переходы. Диоды, транзисторы, интегральные схемы. | |
| Лекция 12. 4.2. Токи в газах. Ионизация газов. Газоразрядная плазма. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Циклотрон. Масс-спектрометр. Электронный микроскоп. | |
| Лекция 13. 4.3. Токи в электролитах, Закон Фарадея. Электролитическая диссоциация. Химические источники тока. 4.4. Контактные явления. Работа выхода электронов. Контактная разность потенциалов. Термоэлектронная эмиссия. | |
| Лекция 14. 5. Переменный электрический ток. | |
| Лекция 15. 5.4. Цепь переменного тока с R, L и С. 6. Обобщения теории Максвелла. | |
| Формулы. |
Лекция 1.
Электростатика
часа). Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Потенциал. Разность потенциалов.
Существуют два рода зарядов: 1)положительные и 2)отрицательные. Положительные заряды образуются на стеклянной палочке, потертой о шелк, а отрицательные заряды образуются на каучуковой палочке, потертой о мех. Опытным путем (1910 – 1914) американский физик Р.Милликен показал, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда (
). Электрон (
) и протон (
) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Все тела способны электризоваться, т.е. получать избыточный электрический заряд. Электризация может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией (наведением) и др. При электризации электризуются оба тела: одно – положительно, другое – отрицательно. Положительная электризация объясняется недостатком электронов в теле, отрицательная – их избытком. В природе выполняется закон сохранения зарядов. В зависимости от концентрации свободных зарядов все вещества делятся на 1)проводники, 2)диэлектрики и 3)полупроводники. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Кулон – это такой заряд, который проходит через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с.
Закон Кулона. Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов экспериментально установлен в1785 г. Ш.Кулоном с помощью крутильных весов, подобных тем, которые использовались Г.Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет). Точечный заряд – это такой заряд, который сосредоточен на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других зарядов. Сила взаимодействия (F) между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна величинам этих зарядов (Q1 и Q2) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними 
(1) в векторной форме: 
; (2) где 
- радиус вектор, соединяющий заряд 
с зарядом 
; 
- действует на заряд 1. 
- коэффициент пропорциональности, 
; 
-электрическая постоянная вакуума, 
или (
), фарад – единица электроемкости. Точность закона проверена в большом интервале расстояний.
Напряженностью электростатического поля в данной точке называется величина, равная отношению силы, действующей на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.
; (3) для точечного заряда 
. (4) Вектор 
направлен в ту же сторону, что и сила.
Рис.1
; Линия напряженности – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением напряженности в данной точке.
Напряженность поля от нескольких зарядов равна векторной (геометрической) сумме напряженностей, созданных отдельными зарядами.
Поток вектора напряженности: 
Единица потока вектора напряженности электрического поля - вольт·метр (В·м).
Потенциал электростатического поля.
Поля, в которых работа силы (созданной полем) по замкнутой траектории равна нулю называются потенциальными. Это – электростатическое и гравитационное поля.
Рис.2
Определение I: Потенциалом поля в данной точке называется величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в этой точке, к величине этого заряда.
. (5)
Определение II: Потенциалом поля в данной точке называется величина, равная отношению работы по перемещению положительного пробного заряда из данной точки поля в бесконечность, к величине этого заряда.
(6)
